基于单片机的电子秤设计HX711

安徽建筑大学毕业设计 论文 目录目录 引言引言 1 第一章第一章 系统的组成及工作原理系统的组成及工作原理 2 1 1系统的组成 2 1 2系统的工作原理 3 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 4 2 1 主控芯片 STC89C52 单片机基本系统 4 2 1 1 STC89C52 单片机性能介绍 4 2 1 2 STC89C52 单片机引脚功能 4 2 1 3 复位电路 5 2 1 4 晶振电路 6 2 2 A D 转换芯片 HX711 接口电路的设计 6 2 2 1 HX711 引脚功能 8 2 2 2 HX711 管脚说明 8 2 3 压电传感器的设计 12 2 3 1 应变式电阻传感器 12 2 3 2 应变片式电阻传感器的结构和原理 12 2 3 3 全桥测量电路 14 2 4 显示电路设计 15 2 4 1 LCD1602 命令及时序 18 2 5 键盘输入 20 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 21 3 1 C 语言在单片机中的应用 21 3 2 系统主程序流程图 22 3 3 子程序设计 23 3 3 1 A D 数据采集子程序 23 3 3 2 显示子程序 23 3 3 3 键盘扫描子程序 24 第四章第四章 系统的调试系统的调试 25 安徽建筑大学毕业设计 论文 4 1 AD 值反向转换重力值的参数计算 25 4 2 误差分析 25 总结总结 26 致谢致谢 27 参考文献参考文献 28 附录附录 1 1 系统原理图系统原理图 29 附录附录 2 2 系统程序清单系统程序清单 33 附录附录 3 3 实物图实物图 42 安徽建筑大学毕业设计 论文 安徽建筑大学毕业设计 论文 1 基于单片机的电子秤设计基于单片机的电子秤设计 电子与信息工程学院 电子信息工程专业 2009 级 1 班 唐杰 指导教师 吕虹 引言引言 随着人们生活水平的不断提高 商业水平越来越现代化 人们对商品的度 量速度和精度也提出了新的要求 目前 商用电子计价秤的使用非常普及 逐 渐会取代传统的杆秤和机械案秤 电子计价秤在秤台结构上有一个显著的特点 一个相当大的秤台 只在中间装置一个专门设计的传感器来承当物料的全部重 量 为了满足电子秤的设计要求 本设计针对普通商业度量需要分析和设计 论述了系统的设计思想 方法及设计实施过程 详细分析了各个模块的选用 功能及实现方法 包括系统的硬件构成 传感器的选择 系统的运作流程图等 以及所用到的一些工具 工作环境 我们进行了各单元电路方案的比较论证及 确定 最终选取以 STC89C52 单片机为控制核心 传感器选用 HL 8 型悬臂梁 式电阻应变式传感器 该芯片集成了包括稳压电源 片内时钟振荡器等其它同 类型芯片所需要的外围电路 具有集成度高 响应速度快 抗干扰性强等优点 降低了电子秤的整机成本 提高了整机的性能和可靠性 该芯片与后端 MCU 芯 片的接口和编程非常简单 所有控制信号由管脚驱动 无需对芯片内部的寄存 器进行编程 安徽建筑大学毕业设计 论文 2 第一章第一章 系统的组成及工作原理系统的组成及工作原理 1 11 1 系统的组成系统的组成 本数字电子秤系统可分为单片机控制电路 A D 转换电路 传感器 LCD 显示 矩阵键盘 蜂鸣器模块等几部分 其系统组成如图 1 1 所示 图 1 1 系统的组成框图 单片机 STC89C52 电子秤专用 24 位高精度高增益传感器芯 片 HX711 称重传感器 HL 8 型 蜂鸣器报警模 块 4 4 矩阵键盘 点阵式 1602 型的 LCD 单片机 控制模 块 人机交 互界面 数据采 集部分 安徽建筑大学毕业设计 论文 3 1 21 2 系统的工作原理系统的工作原理 系统原理如图 1 1 所示 系统通过传感器将压力这种物理量转化为电信号 即传感器内部的电阻应变片感应到压力后 电阻发生微小变化 通过全桥测量 电路将电阻的微小变化转化成电压的微小变化 HX711 将信号调整到 A D 能采 集的范围 然后由 A D 进行采集 接着把采集到的 24 位高低电平通过 DOUT 送 到单片机进行处理 单片机处理后 把数字信号输送到显示电路中 由显示电 路输出测量结果 整个系统实现了用单片机来控制输出 在线性度的确定过程 中 需要对程序进行反复的修改 最终实现设计的要求 安徽建筑大学毕业设计 论文 4 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 主控芯片主控芯片 STC89C52STC89C52 单片机基本系统单片机基本系统 2 1 12 1 1 STC89C52STC89C52 单片机性能介绍单片机性能介绍 STC89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 的在系统可 编程闪烁存储器 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容 片上 flash 允许程序存储器在线可编程 也 适于常规编程器 在单芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统上可编程闪烁存 储单元 使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活 有效的解决方案 STC89C52 具有以下标准功能 8K 字节闪烁存储器 256 字节读写存储器 32 位 I O 口线 看门狗定时器 2 个数据指针 三个 16 位定时器 计数器 一 个 6 向量 2 级中断结构 全双工串行口 片内晶振及时钟电路 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作 支持 2 种软件可选择节电模式 空闲模式 下 CPU 停止工作 允许读写存储器 定时器 计数器 串口 中断继续工作 掉电保护方式下 读写存储器内容被保存 振荡器被冻结 单片机一切工作停 止 直到下一个中断或硬件复位为止 2 1 22 1 2 STC89C52STC89C52 单片机引脚功能单片机引脚功能 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部 程序和数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 在闪烁编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验 时 输出指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因 将输出电流 安徽建筑大学毕业设计 论文 5 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因 将输出电流 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储 器时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在闪烁编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻 的原因 将输出电流 RST 复位输入 当晶振工作时 RST 引脚持续 2 个机器周期高电平将使单 片机复位 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部 程序存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 Vcc 在闪烁编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 1 32 1 3 复位电路复位电路 单片机上电时 当振荡器正在运行时 只要持续给出 RST 引脚两个机器周 期的高电平 便可完成系统复位 外部复位电路是为提供两个机器周期以上的 高电平而设计的 系统采用上电自动复位 上电瞬间电容器上的电压不能突变 RST 上的电压是 Vcc 上的电压与电容器上的电压之差 因而 RST 上的电压与 Vcc 上的电压相同 随着充电的进行 电容器上的电压不断上升 RST 上的电压与 Vcc 上的电压相同 随着充电的进行 电容器上的电压不断上升 RST 上的电压 就随着下降 RST 脚上只要保持 10ms 以上高电平 系统就会有效复位 电容 C1 可取 10 33 F R 取 10k 充电时间常数为 10 10 6 10 103 100ms 复位电路的实现可以有很多种方法 但是从功能上一般分为两种 一种是 电源复位 即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作 单片机 的起停通过电源控制 另一种方法是在复位电路中设计按键开关 通过按键开 安徽建筑大学毕业设计 论文 6 关触发复位电平 控制单片机的复位 本设计使用了第二种方法 其电路图如 图 2 1 所示 VCC 10K R22 K4 VCC 12 Y1 12MHz 30pFC5 30pFC6 10uF C7 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 STC89C52RC 图 2 1 STC89C52 单片机复位电路 晶振电路图 2 1 42 1 4 晶振电路晶振电路 STC89C52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入 输出端 外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电 容 C2 C3 构成并联谐振电路 当外接石英晶体时 电容 C2 C3 选 30pF 10pF 当外接陶瓷振荡器时 电容 C2 C3 选 40pF 10pF STC89C52 系 统中晶振频率一般在 1 2 12MHz 选择 外接电容 C2 C3 的大小会影响振荡器频 率的高低 振荡频率的稳定度 起振时间及温度稳定性 在设计电路板时 晶 振和电容应靠近单片机 以便减少寄生电容 保证振荡器稳定可靠工作 在本 系统中 选择了 12MHz 石英晶振 电容 C1 C2 为 30pF 其电路图如图 2 1 所 示 2 22 2 A DA D 转换芯片转换芯片 HX711HX711 接口电路的设计接口电路的设计 根据设计要求 系统要求输出的电流信号为 20 1000mA 步进为 1mA 且要 求显示数值 因此 给定量的执行元件 A D 转换器至少需要 12 位的转换精度 结合系统的设计要求 并考虑到单片机的 I O 接口资源紧张等因素 最终确定 选用 HX711 量化精度能达到 1 4096 1 1000 完全能达到设计的精度要求 安徽建筑大学毕业设计 论文 7 HX711 接口电路如图 2 2 所示 图 2 2 HX711 接口图 HX711 是一款专为高精度称重传感器而设计的 24 位 A D 转换器芯片 与同 类型其它芯片相比 该芯片集成了包括稳压电源 片内时钟振荡器等其它同类 型芯片所需要的外围电路 具有集成度高 响应速度快 抗干扰性强等优点 降低了电子秤的整机成本 提高了整机的性能和可靠性 该芯片与后端 MCU 芯 片的接口和编程非常简单 所有控制信号由管脚驱动 无需对芯片内部的寄存 器编程 输入选择开关可任意选取通道 A 或通道 B 与其内部的低噪声可编程 放大器相连 通道 A 的可编程增益为 128 或 64 对应的满额度差分输入信号幅 值分别为 20mV 或 40mV 通道 B 则为固定的 64 增益 用于系统参数检测 芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的 A D 转换器提供电源 系统板上无需另外的模拟电源 芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件 上 电自动复位功能简化了开机的初始化过程 安徽建筑大学毕业设计 论文 8 2 2 12 2 1 HX711HX711 引脚功能引脚功能 表 2 1 HX711 引脚功能 管脚 号 名称性能描述 1VSUP 电源稳压电路供电电源 2 6 5 5V 不用稳压电路时 接 AVDD 2BASE 模拟输出稳压电路控制输出 不用稳压电路时为无连接 3AVDD 电源模拟电源 2 6 5 5V 4VFB 模拟输入稳压电路控制输入 不用稳压电路时应接地 5AGND 地模拟地 6VBG 模拟输出参考电源输入 7INA 模拟输入通道 A 负输入端 8INA 模拟输入通道 A 正输入端 9INB 模拟输入通道 B 负输入端 10INB 模拟输入通道 B 正输入端 11PD SCK 数字输入断电控制 高电平有效 和串口时钟输入 12DOUT 数字输出串口数据输出 13X0 数字输入输 出 晶振输入 不用晶振时为无连接 14X1 数字输入外部时钟或晶振输入 0 使用片内振荡器 15RATE 数字输入输出数据速率控制 0 10Hz 1 80Hz 16DVDD 电源数字电源 2 6 5 5V 2 2 22 2 2 HX711HX711 管脚说明管脚说明 模拟输入 通道 A 模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接 由于桥式传感 器输出的信号较小 为了充分利用 A D 转换器的输入动态范围 该通道的可编 程增益较大 为 128 或 64 这些增益所对应的满量程差分输入电压分别 20mV 或 40mV 通道 B 为固定的增益 所对应的满量程差分输入电压为 40mV 通 道 B 应用于包括电池在内的系统参数检测 供电电源 数字电源 DVDD 应使用与 MCU 芯片相同的数字供电电源 HX711 芯片内 额稳压电路可同时向 A D 转换器和外部传感器提供模拟电源 稳压电源的供电 电压 VSUP 可与数字电源 DVDD 相同 稳压电源的输出电压值 VAVDD 由 安徽建筑大学毕业设计 论文 9 外部分压电阻 R1 R2 和芯片的输出参考电压 VBG 决定 图 1 VAVDD VBG R1 R2 R2 应选择该输出电压比稳压电源的输入电压 VSUP 低至少 100mV 如果不使用芯片内的稳压电路 管脚 VSUP 和管脚 AVDD 应相连 并接到电压为 2 6 5 5V 的低噪声模拟电源 管脚 VBG 上不需要外接电容 管脚 VFB 应接地 管脚 BASE 为无连接 时钟选择 如果将管脚 XI 接地 HX711 将自动选择使用内部时钟振荡器 并自动关闭 外部时钟输入和晶振的相关电路 这种情况下 典型输出数据速率为 10Hz 或 80Hz 如果需要准确的输出数据速率 可将外部输入时钟通过一个 20pF 的隔直 电容连接到 XI 管脚上 或将晶振连接到 XI 和 XO 管脚上 这种情况下 芯片内 的时钟振荡器电路会自动关闭 晶振时钟或外部输入时钟被采用 此时 若晶 振频率为 11 0592MHz 输出数据速率为准确的 10Hz 或 80Hz 输出数据速率与 晶振频率以上述关系按比例增加或减少 使用外部输入时钟 外部时钟信号不 一定需要为方波 可将 MCU 芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过 20pF 的隔直 电容连接到 XI 管脚上 作为外部时钟输入 外部时钟输入信号的幅值可低至 150 mV HX711 管脚说明如图 2 3 所示 图 2 3 HX711 管脚说明 安徽建筑大学毕业设计 论文 10 串口通讯 串口通讯线由管脚 PD SCK 和 DOUT 组成 用来输出数据 选择输入通道和 增益 当数据输出管脚 DOUT 为高电平 表明 A D 转换器还未准备好输出数据 此时串口时钟输入信号 PD SCK 应为低电平 当 DOUT 从高电平变低电平后 PD SCK 应输入 25 至 27 个不等的时钟脉冲 图二 其中第一个时钟脉冲的上升沿 将读出输出 24 位数据的最高位 MSB 直至第 24 个时钟脉冲用来选择下一个 A D 转换的输入通道和增益 输入通道和增益说明如表 2 3 所示 表 2 2 主要电气参数 参数条件及说明最小值典型值最大值单位 满额度差分输入范围V inp V inn 0 5 AVDD GAIN V 输入共模电压范围AGND 0 6 AVDD 0 6 V 使用片内振荡器 RATE 010 使用片内振荡器 RATE DVDD 80 外部时钟或晶振 RATE 0fclk 1 105 920 输出数据速率 外部时钟或晶振 RATE DVDD fclk 138 240 Hz 输出数据编码二进制补码 7FFFFF HEX RATE 0400mv输出稳定时间 1 RATE DVDD50 增益 1280 2输入零点漂移 增益 640 8 增益 128 RATE 050输入噪声 增益 128 RATE DVDD90 nV rms 输入零点漂移 增益 128 7nV 温度系数 增益漂移 增益 128 3ppm 输入共模信号抑制比增益 128 RATE 0100dB 电源干扰抑制比增益 128 RATE 0100dB 输出参考电压 VBG 1 25V 外部时钟或晶振频率1 11 0592 30MHz DVDD2 6 5 5电源电压 AVDD VSUP2 6 5 5 V 正常工作1600模拟电源电路 含稳压电路 断电0 3 uA 数字电源电路正常工作100uA 安徽建筑大学毕业设计 论文 11 断电0 2 表 2 3 输入通道和增益选择 PD SCK脉冲数输入通 道 增益 25A128 26B64 27A64 PD SCK 的输入时钟脉冲数不应少于 25 或多于 27 否则会造成串口通讯错 误 当 A D 转换器的输入通道或增益改变时 A D 转换器需要 4 个数据输出周 期才能稳定 DOUT 在 4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平 输出有效数 据 如图 2 4 所示 图 2 4 数据输入 输出通道和增益选择时序图 表 2 4 四个周期选择说明 符号说 明最小值最大值单位 T1DOUT 下降沿到 PD SCK 脉冲上升沿0 1us T2PD SCK 脉冲上升沿到 DOUT 数据有 效 0 1us T3PD SCK 正脉冲电平时间0 250us T4PD SCK 负脉冲电平时间0 2us 安徽建筑大学毕业设计 论文 12 复位和断电 当芯片上电时 芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位 管脚 PD SCK 输入来控制 HX711 的断电 当 PD SCK 为低电平时 芯片处于正常工作状态 60us断电 正常工作 断电控制 图 2 5 断电控制 如果 PD SCK 从低电平变高电平并保持在高电平超过 60 us HX711 即进入 断电状态 如果使用片内稳压电源电路 断电时 外部传感器和片内 A D 转换 器会被同时断电 当 PD SCK 重新回到低电平时 芯片会自动复位后进入正常工 作状态 芯片从复位或断电状态后 通道 A 和增益 128 会被自动选择为作为第 一次 A D 转换的输入通道和增益 随后的输入通道和增益选择由 PD SCK 的脉冲 数决定 参见串口通讯一节 芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后 A D 转换器需要 4 个数据输出周期才能稳定 DOUT 在 4 个数据输出周期后才会从高 电平变为低电平 输出有效数据 2 32 3 压电传感器的设计压电传感器的设计 2 3 12 3 1 应变式电阻传感器应变式电阻传感器 应变片式电阻传感器是以应变片为传感器元件的传感器 它具有以下优点 1 精度高 测量范围广 2 使用寿命长 性能稳定可靠 3 结构简单 尺寸小 重量轻 因此在测量时 对工件工作状态及应力分布影响小 4 频率响应特性 好 应变片响应时间约为 100ns 5 可在高低温 高速 高温 强烈振动 强 磁场 核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作 6 应变片种类繁多 价格便 宜 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应 即在导体产生机械形变时 它的电阻值相应发生变化 应变片式电阻传感器应用很广 本设计采用的是梁 式力传感器 该传感器结构简单 灵敏度高 适用于小压力测量 安徽建筑大学毕业设计 论文 13 2 3 22 3 2 应变片式电阻传感器的结构和原理应变片式电阻传感器的结构和原理 电阻应变式传感器是将被测量的力 通过它产生的金属弹性变形转换成电 阻变化的原件 由电阻应变片和测量电路两部分组成 常用的电阻应变片有两 种 电阻应变片和半导体应变片 本设计采用的是电阻应变片 为获得高电阻 值 电阻丝排成网状 并贴在绝缘的基片上 电阻丝两端引出导线 线珊上面 有覆盖层 起保护作用 电阻应变片也有误差 产生的因素很多 所以在测量时我们一定要注意 其中的温度的影响最重要 环境温度影响电阻值变化的原因主要是 A 电阻丝 温度系数引起的 B 电阻丝与被测原件对桥接零点和输出 灵敏度的影响 即 使采用同一批应变也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差 所以对要 求精度较高的传感器 必须进行温度补偿 解决的办法是在被粘贴的基片上采 用适当及温度系数的自动补偿 并从外部对它加以适当的补偿 非线性误差是 传感器特性中最重要的一点 产生非线性误差的原因很多 一般来说主要由结 构设计决定 通过线性补偿 也可以得到改善 滞后和蠕变是关于应变片及粘 合剂的误差 由于粘合剂为高分子材料 其特性随温度变化较大 所以称重传 感器必须在规定的温度范围内使用 电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应 即在导体产生机械形变时 它的电阻值相应发生变化 设有一根电阻丝 如图所示 它在未受力时的原始电阻值为 R l S 式中 电阻丝的电阻率 电阻丝的长度 l 电阻丝的面积 S 电阻丝在外力的作用下 将引起电阻变化 且有R R R lS lS 令电阻丝的轴向效应为 由材料力学可知 l l r rl l 安徽建筑大学毕业设计 论文 14 为电阻丝材料的泊松系数 经整理可得u 12 R R 通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数 其表达式 为 0 12 R R k 从上式可以明显看出 电阻丝灵敏系数由两部分组成 表示受力 0 k 12 后由材料的几何尺寸变化引起的 表示由材料电阻变化所引起的 对于 金属材料 项的阻值要比小得多 可以忽略 故 大 12 0 k12 量实验证明 在电阻丝拉伸比例极限内 电阻的相对变化与应变成正比 即 1 7 3 6 上式可写成 0 k 0 R k R 2 3 32 3 3 全桥测量电路全桥测量电路 应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥 差动半桥和差动全桥 其中差 动全桥可提高电桥的灵敏度 消除电桥的非线性误差 并可消除温度误差等共 模干扰 一般在测量中都使用 4 片应变片组成差动全桥 本设计所采用的传感 器就是全桥测量电路 其电路图如图 3 6 所示 桥式测量电路有四个电阻 其 中任何一个都可以是电阻应变片电阻 电桥的一个对角线接入工作电压 U 另 一个对角线位输出电压 Uo 其特点是 当四个桥臂电阻达到相应关系时 电桥 输出为零 或则就有电压输出 可用灵敏检流计来测量 所以电桥能够精确地 测量微小的电阻变化 应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中 无压力时 电 桥平衡 输出电压为零 有压力时 电桥的桥臂电阻值发生变化 电桥失去平 衡 全桥测量电路中 将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边 其输出灵 敏度比半桥提高了一倍 非线性误差和温度误差均得到了改善 安徽建筑大学毕业设计 论文 15 VCC 1 2 P3 SA SA SA SA 1K R23 1K R24 1K R25 1K R26 图 2 6 全桥测量电路 2 42 4 显示电路设计显示电路设计 方案一 LED 显示 LED 就是 light emitting diode 发光二极管的英文缩写 简称 LED 它 是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式 用来显示文字 图形 图像 动画 行情 视频 录像信号等各种信息的显示屏幕 LED 显示器结构 基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的 可实现 0 9 的显示 其具体结构有 反射罩式 条形七段式 及 单片集成式多位 数字式 等 LED 显示器与显示方式 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件 通常使用的是七段 LED 这种显示块有共阴极与共阳极两种 共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极共地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 共阳极 LED 显示块的 发光二极管阳极并接 在设计中使用 LED 显示块构成 N 位 LED 显示器 N 位 LED 显示器有 N 根位 选线和 8 N 根段选线 根据显示方式不同 位选线与段选线的连接方法不同 段选线控制字符选择 位选线控制显示位的亮 暗 LED 显示器有静态显示与动态显示两种方式 我们使用的为动态显示方式 安徽建筑大学毕业设计 论文 16 在多位 LED 显示时 为了简化电路 降低成本 将所有位的段选线并联在一起 由一个 8 位 I O 口控制 而共阴极点或共阳极点分别由响应的 I O 口线控制 其中两片 74LS244 分别用于段信号和位信号的驱动 74LS273 用于段信号的锁 存 其锁存地址为 7FFFH 图 2 7 LED 数码管显示方式 方案二 LCD 显示 LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称 LCD 的构造是在两 片平行的玻璃当中放置液态的晶体 两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电 线 透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向 将光线折射出来产生画面 比 LED 要好的多 但是价钱较其贵 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电 子产品的通过器件 如在计算器 万用表 电子表及很多家用电子产品中都可 以看到 显示的主要是数字 专用符号和图形 在单片机的人机交流界面中 一般的输出方式有以下几种 发光管 LED 数码管 液晶显示器 发光管和 LED 数码管比较常用 软硬件都比较简单 在前面章节已经介绍过 在此不作介绍 本章重点介绍字符型液晶显示器的应用 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点 1 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种 安徽建筑大学毕业设计 论文 17 色彩和亮度 恒定发光 而不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新 亮点 因此 液晶显示器画质高且不会闪烁 2 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简 单可靠 操作更加方便 3 体积小 重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态 来达到显示的目的 在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 4 功耗低 相对而言 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱 动 IC 上 因而耗电量比其它显示器要少得多 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性 通过电压对其显示区域进行控制 有电就有显示 这样即可以显示出图形 液晶显示器具有厚度薄 适用于大规 模集成电路直接驱动 易于实现全彩色显示的特点 目前已经被广泛应用在便 携式电脑 数字摄像机 PDA 移动通信工具等众多领域 液晶显示器各种图形的显示原理 1 线段的显示 点阵图形式液晶由 M N 个显示单元组成 假设 LCD 显示 屏有 64 行 每行有 128 列 每 8 列对应 1 字节的 8 位 即每行由 16 字节 共 16 8 128 个点组成 屏上 64 16 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应 每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应 例如屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H 00FH 的 16 字节的内容决定 当 000H FFH 时 则屏幕的 左上角显示一条短亮线 长度为 8 个点 当 3FFH FFH 时 则屏幕的右下角 显示一条短亮线 当 000H FFH 001H 00H 002H 00H 00EH 00H 00FH 00H 时 则在屏幕的顶部显示一条由 8 段 亮线和 8 条暗线组成的虚线 这就是 LCD 显示的基本原理 2 字符的显示 用 LCD 显示一个字符时比较复杂 因为一个字符由 6 8 或 8 8 点阵组成 既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字 节 还要使每字节的不同位为 1 其它的为 0 为 1 的点亮 为 0 的不亮 这样一来就组成某个字符 但由于内带字符发生器的控制器来说 显 示字符就比较简单了 可以让控制器工作在文本方式 根据在 LCD 上开始显示 的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对应的地址 设立光标 在此送上该字符 对应的代码即可 3 汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式 事先从微机中提取要 显示的汉字的点阵码 一般用字模提取软件 每个汉字占 32B 分左右两半 安徽建筑大学毕业设计 论文 18 各占 16B 左边为 1 3 5 右边为 2 4 6 根据在 LCD 上开始显示的行 列号及每行的列数可找出显示 RAM 对应的地址 设立光标 送上要显示的汉字 的第一字节 光标位置加 1 送第二个字节 换行按列对齐 送第三个字 节 直到 32B 显示完就可以 LCD 上得到一个完整汉字 1602 字符型 LCD 简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 目前常用 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等的模块 我们以 1602LCD 字符型 液晶显示器为例 1602LCD 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 带背光的比不带背光的厚 是否带背光在应用中并无差别 1602LCD 主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 19 由于本次设计的显示模块需要显示多位数字 如果采用数码管显示的话将 会占用多个单片机 I O 口 使得电路变得更为复杂 所以选用液晶显示 1602LCD 符合基本条件 能够采用 2 4 12 4 1 LCD1602LCD1602 命令及时序命令及时序 1602 液晶模块的引脚连线如图 2 8 其中 第 1 2 脚为液晶的驱动电源 第三脚 VL 为液晶的对比度调节 通过在 VCC 和 GND 之间接一个 10K 多圈可调电 阻 中间抽头接 VL 可实现液晶对比度的调节 液晶的控制线 RS R W E 分 别接单片机的 P0 5 P0 6 P0 7 数据口接在单片机的 P2 口 BL BL 为液 晶背光电源 图 2 8 1602 液晶模块的接线图 安徽建筑大学毕业设计 论文 19 1602 液晶模块的初始化过程 延迟 15ms 写指令 38H 不检测忙信号 延迟 5ms 写指令 38H 不检测忙信号 延迟 5ms 写指令 38H 不检测忙信号 以后每次写指令 读 写数据操作之前均需检测忙信号 写指令 38H 显示模式设置 写指令 08H 显示关闭 写指令 01H 显示清屏 写指令 06H 显示光标移动设置 写指令 0CH 显示开及光标设置 1602 液晶模块的读操作时序如图 2 9 所示 图 2 9 1602 液晶模块的读操作时序 1602 液晶模块的写操作时序如图 2 10 所示 安徽建筑大学毕业设计 论文 20 图 2 10 1602 液晶模块的写操作时序 2 52 5 键盘输入键盘输入 键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分 它是系统接受用户指令的直 接途径 操作者通过键盘向系统发送各种指令或置入必要的数据信息 因此键 盘模块设计的好坏 直接关系到系统的可靠性和稳定性 键盘是由若干个按键 开关组成 键的多少根据单片机应用系统的用途而定 键盘由许多键组成 每 一个键相当于一个机械开关触点 当键按下时 触点闭合 当键松开时 触点 断开 单片机接收到按键的触点信号后作相应的功能处理 因此 相对于单片 机系统来说键盘接口信号是输入信号 方案一 专用芯片式设计 专用键盘处理芯片一般功能比较完善 芯片本身能完成对按键的编码 扫 描 消抖和重键等问题的处理 甚至还集成了显示接口功能 列如 Intel8279 是一种为 8 位微处理器设计的比较成熟的通用键盘 显示器接口芯片 其功能有 接收来自键盘的输入数据 并作预处理 数据显示的管理和数据显示器的控制 专用键盘处理芯片的优点很明显 可靠性高 口简单 使用方便 适合处理按 键较多的情况 但在很多应用场合 考虑成本因素 可能并不是最佳选择 方案二 矩阵式键盘设计 矩阵式键盘又叫行列式键盘 用 I O 口线组成行 列结构 按键设置在 行列的交点上 例如 用 2 2 的行列结构可构成 4 个键的键盘 4 4 行列结 构可构成 16 个键的键盘 因此 在按键数量较多时 可以节省 I O 口线 相对 安徽建筑大学毕业设计 论文 21 于专用芯片式可以节省成本 且更为灵活 缺点就是需要用软件处理消抖 重 键等问题 图 2 11 4 4 矩阵键盘 考虑到成本方面 我决定采用矩阵键盘 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 在单片机应用系统的开发中 软件的设计是最复杂和困难的 大部分 情况下工作量都较大 特别是对那些控制系统比较复杂的情况 如果是机 电一体化的设计人员 往往需要同时考虑单片机的软硬件资源分配 本系 统的软件设计主要分为系统初始化 按键 显示处理及信号频率输入处理 程序设计是一件复杂的工作 为了把复杂的工作条理化 就要有相应的步 骤和方法 其步骤可概括为以下三点 分析系统控制要求 确定算法 对复杂的问题进行具体的分析 找 出合理的计算方法及适当的数据结构 从而确定编写程序的步骤 这是能 否编制出高质量程序的关键 根据算法画流程图 画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化 以减少出错的可能性 编写程序 根据程序框图所表示的算法和步骤 选用适当的指令排 列起来 构成一个有机的整体 即程序 程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法 结构化程序设计是 对利用到的控制结构类程序做适当的限制 特别是限制转向语句 或指令 的使用 从而控制了程序的复杂性 力求程序的上 下文顺序与执行流程 安徽建筑大学毕业设计 论文 22 保持一致性 使程序易读易理解 减少逻辑错误和易于修改 调试 根据 系统的控制任务 本系统的软件设计主要由主程序 初始化程序 显示子 程序 数据采集子程序和延时程序等组成 3 13 1 C C 语言在单片机中的应用语言在单片机中的应用 C 语言是一种通用的计算机程序设计语言 在国际上非常流行 它既可以 用来编写计算机的系统程序 也可以用来编写一般的应用程序 以前计算机的 系统软件主要用汇编语言编写 单片机应用系统更是如此 C 语言是当前最流 行的程序设计语言 它像其它高级语言一样 面向用户 面向解题的过程 编 程者不必熟悉具体的计算机内部结构和指令 C 语言又像汇编语言一样 可以 对机器硬件进行操作 如进行端口 I 0 操作 位操作 地址操作 并可内嵌汇 编指令 将汇编指令当作它的语句一样 我们知道 汇编语言将涉及计算机硬 件 所以 C 语言又像低级语言一样 可以对计算机硬件进行控制 因此人们把 它称为介于高级语言与低级语言之间的一种中级语言 正是因为 C 语言具有这 样的特性 所以很适合编写要对硬件进行操作的软件程序 本文采用 C 语言进 行编写 因为此系统软件比较 其存储量较大 因此必须应用 C 语言编程了 3 23 2 系统主程序流程图系统主程序流程图 在系统通电后 主程序首先完成系统初始化 其中包括系统变量定义和 给系统变量赋初值等 然后调用 A D 采集函数 将 A D 采集模块输出的 24 位二进制串行数据转化为十进制 接着进行调零和定标 最后分离出四位 十进制数据的千位 百位 十位和个位 调用液晶显示函数 将对应的数 值送到对应的液晶上进行显示 系统主函数流程图如图 3 1 所示 安徽建筑大学毕业设计 论文 23 图 3 1 主程序流程图 3 33 3 子程序设计子程序设计 3 3 13 3 1 A DA D 数据采集子数据采集子程序程序 A D 数据采集子程序主要是采集压电传感器的输出小信号 前 24 个 ADSK 脉冲采集 24 位串行二进制数据 接下来的 1 3 个 ADSK 脉冲选择下 次 A D 采集的通道和增益 本设计采用 1 个 ADSK 脉冲 选择通道 A 增益 为 128 其流程图如图 3 2 所示 开始 A D 端口初始化 采集 4 位串行数据 选择下次采集通道和增益 输出数据编码 返回 安徽建筑大学毕业设计 论文 24 图 3 2 A D 数据采集子函数流程图 3 3 23 3 2 显示子程序显示子程序 显示子程序主要是来判断是否需要显示 以及如何去显示 也是十分重 要的程序之一 设计流程图如图 3 3 所示 安徽建筑大学毕业设计 论文 25 图 3 3 显示子程序流程图 3 3 33 3 3 键盘扫描子程序键盘扫描子程序 键盘电路设计成 4X4 矩阵式 在程序中可以先判断按键编码 然后根据编 码将键盘代表的数值送到相应的存储单元 再进行功能选择或数据处理 设计 流程图如图 3 4 所示 图 3 4 键盘扫描子程序流程图 安徽建筑大学毕业设计 论文 26 第四章第四章 系统的调试系统的调试 系统硬件调试比较简单 首先检查电路的焊接是否正确 用万用表检测电 路板是否存在短路或者断路 经检测后再接上电源 用万用表测量电源部分的 各个输出电压值 经调试正常后方可接到各部分电路 先按下单片机复位键将 系统复位 调用液晶显示子函数显示 1234 显示无误后 接上传感器和由 24 位串行 A D 转换芯片构成的调理电路和 A D 转换电路 将全部的程序烧到芯片 中 观察液晶上是否显示 0000 如果没有显示 即进行软件调零工作 待调零 完成后 用手给传感器慢慢施加压力 看数液晶的数值是否也跟随增大 当放 手后 看液晶的数值是否回到 0000 附近 4 14 1 ADAD 值反向转换重力值的参数计算值反向转换重力值的参数计算 满量程输出电压 激励电压 灵敏度 1 0mv v 例如 供电电压是 5v 乘以灵 敏度 2 0mv v 满量程 10mv 相当于有 10Kg 重力产生时候产生 10mV 的电压 假设重力为 AKg x 10Kg 测量出来的 AD 值为 y 10Kg 传感器输出 发送给 AD 模块儿的电压为 AKg 8 6mV 10Kg 0 86A mV 经过 128 倍增益后为 128 0 86A 110 08AmV 转换为 24bit 数字信号为 110 08A mV 4 3V 7296A 224 所以 y 7296A 100 4294 A 因此得出 A y 4294 Kg y 4 30 g 所以得出程序中计算公式 Weight Shiwu unsigned int float Weight Shiwu 4 30 0 05 4 24 2 误差分析误差分析 由于所采用的传感器灵敏度很高 如果传感器在水平方向固定的不是很好 会存在一定的误差 另外传感器的引线也很灵敏 稍微触动一下 也会产生误 差 安徽建筑大学毕业设计 论文 27 总结总结 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 使电子仪器的整体水平发生巨大 变化 传统的仪器逐步的被智能仪器所取代 智能仪器的核心部件是单片机 因其极高的性价比得到广泛的应用与发展 从而加快了智能仪器的发展 而传 感器作为测控系统中对象信息的入口 越来越受到人们的关注 传感器好比人 体 五官 的工程模拟物 它是一种能将特定的被测量信息 物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次设计中的全 桥电子称就是在以上仪器的基础上设计而成的 因此 只有充分了解有关智能 仪器 单片机 传感器以及各部分之间的关系才能达到要求 经过几个月的努力 终于按照毕业设计进度要求如期完成了实用电子秤控 制系统的硬件设计任务 在做毕业设计的过程中 虽然碰到了不少的困难 但 是在老师的指导以及自己的努力下 终于取得了一定成果 一 主要工作及结论 1 熟悉 STC89C52 单片机功能及工作特性 掌握其接口扩展方法 2 通过对数据采集的分析 了解了各种传感器 放大器及 A D 转换器有了 更深的认识 3 对键盘和显示器进行选型比较 得出各种型号优劣比 4 采用面向对象的思想 分层次 分模块构建设计的总体框架 二 存在的问题 1 系统设计不够优化 有待改善 比如系统的超量程信号直接由单片机送 入报警电路 没有设计保护电路再入单片机处理后送入报警电路 2 没有扩展更多电路 如日历时钟电路 通讯接口电路等 日历时钟电路 可以显示购货日期 通讯接口电路可以与上位机 PC 机 进行通讯 从而将大 量的商品数据存于上位机 然后通过串口或并口通讯与电子称相连 达到远距 离控制的目的 3 对各种实用芯片价格了解不够 选择上任有欠缺 如所选的称重传感器 价格较贵 这些都为我今后的学习和工作留下了积极的影响 安徽建筑大学毕业设计 论文 28 致谢致谢 大学生涯即将结束 临近毕业 我感慨良多 在论文的设计过程中 我查 阅了许多有关压电传感器 A D 转换和 C 程序设计方面的文献资料 使我对压 电传感器的设计和使用有了更深的认识 从论文选题到完成论文 吕虹老师付 出了大量心血 设计过程中 他从多方面进行指导 不断对论文提出修改意见 吕虹老师渊博的知识 严谨的治学态度 求实的精神 时刻感染着我 在此 我要衷心地感谢吕虹老师 论文的完成 不仅是我大学四年知识积累的体现 而且也是电信学院所有老师悉心教导的结果 感谢他们让我掌握了一定的专业 知识 专业技能和一些做人的道理 同时 我也要感谢周围不断鼓励 支持 帮助我的同学们 是你们的友情 关心 爱心让我倍感生活的精彩和温暖 最 后 我要特别感谢我的家人 他们辛勤的付出 无私的关爱让我体会到亲情的 伟大 为我茁壮成长提供了良好的环境 安徽建筑大学毕业设计 论文 29 参考文献参考文献 1 Chen Guang Wang Yong Wu Gang Frequency domain identification of flexible structure with the resistance strain gauge sensor A Intelligent Control and Automation 2004 WCICA 2004 Fifth World Congress C 2004 2 D Macnamara D Thiel Optimizing piezo resistive stra